論文まとめ301回目 Nature 単体元素ヒ素における新しい「ハイブリッド」トポロジカル量子状態！？など
科学・社会論文を雑多/大量に調査する為、定期的に、さっくり表面がわかる形で網羅的に配信します。今回もマニアックなNatureです。
さらっと眺めると、事業・研究のヒントにつながるかも。
世界の先端はこんな研究してるのかと認識するだけでも、
ついつい狭くなる視野を広げてくれます。
一口コメント
Bitter taste receptor activation by cholesterol and an intracellular tastant
苦味受容体の活性化におけるコレステロールと細胞内味物質の役割
「苦味受容体TAS2R14は、コレステロールと苦味物質cmpd28.1によって活性化されることが明らかになりました。コレステロールは受容体の外側のポケットに、cmpd28.1は受容体の内側のポケットに結合し、両者が協調して受容体を活性化します。この発見は、苦味受容体の活性化メカニズムの理解を深め、味覚以外の生理機能の解明にもつながる可能性があります。」
Terahertz electric-field-driven dynamical multiferroicity in SrTiO3
SrTiO3におけるテラヘルツ電場駆動の動的マルチフェロイック性
「テラヘルツ光を使ってSrTiO3の格子振動を円偏光で共鳴励起すると、一時的に磁化が発生することが実験的に確認されました。これは動的マルチフェロイック性と呼ばれる現象で、結晶中のイオンが円運動することで磁気モーメントが誘起されるためです。第一原理計算を用いたモデル化により、実験結果を定性的に再現することができました。また、格子振動の角運動量が電子系に移行するフォノンバーネット効果を考慮することで、定量的にも矛盾のない磁気モーメントの大きさが得られました。この研究は、コヒーレントな格子振動の制御によって磁性を操作する新しい方法を示しており、超高速磁気スイッチなどへの応用が期待されます。」
A hybrid topological quantum state in an elemental solid
単体元素固体におけるハイブリッドトポロジカル量子状態
「ヒ素は単体元素でありながら、「強いトポロジー」と「高次トポロジー」が融合した特殊な量子状態を示すことが、走査型トンネル顕微鏡や光電子分光、理論解析により明らかになりました。この「ハイブリッドトポロジー」は、ヒ素の表面に特徴的なステップエッジ伝導チャネルを生み出します。トポロジカル物質の研究は、これまで複合物質が主流でしたが、単体元素でこのような新奇な量子状態が実現していたことは驚きです。今回の発見は、トポロジーの観点から物質の性質を理解し、制御する新たな道を拓くものと期待されます。」
Direct observation of a magnetic-field-induced Wigner crystal
磁場誘起ウィグナー結晶の直接観測
「電子間のクーロン相互作用が運動エネルギーよりはるかに強くなると、電子は規則正しい格子状に配列したウィグナー結晶を形成します。本研究では、高分解能の走査トンネル顕微鏡を用いて、二層グラフェンにおける磁場誘起ウィグナー結晶を直接可視化することに成功しました。電子密度や磁場、温度などの条件を変化させることで、ウィグナー結晶の構造や融解過程を詳細に調べることができました。」
Ligand efficacy modulates conformational dynamics of the μ-opioid receptor
リガンドの効力がμオピオイド受容体の構造動態を制御する
「μオピオイド受容体に結合するリガンドの種類によって受容体の構造変化や動的挙動が異なり、それがシグナル伝達の選択性や効力の違いにつながることが、複数の構造生物学的手法を組み合わせることで明らかになりました。活性化状態の受容体には複数の構造が存在し、リガンドによってそれらの平衡状態が制御されています。完全活性型の受容体はGタンパク質との結合を強く促進し、ヌクレオチドの解離を引き起こします。一方、β-アレスチン-1の受容体への結合はGタンパク質ほど特異的ではなく、親和性も低いことがわかりました。この研究は、リガンドの効力と選択性を理解する上で重要な知見を提供し、副作用の少ない鎮痛薬の開発につながる可能性があります。」
FSC-certified forest management benefits large mammals compared to non-FSC
FSC認証林は非FSCと比較して大型哺乳類に恩恵をもたらす
「FSC認証林と非認証林で大型哺乳類の生息数を比較した大規模研究。カメラトラップで55種の哺乳類を撮影した結果、FSC認証林では体重10kg以上の種の生息数が非認証林の2.5〜3.5倍に。絶滅危惧種のゾウやゴリラの生息数もFSC認証林で有意に多かった。また、非認証林では齧歯類など小型種の割合が高かった。FSCの厳格な管理基準が、密猟の抑制を通じて大型哺乳類の保全に貢献していると示唆。適切な森林管理が生物多様性保護のカギを握る。」
要約
苦味受容体TAS2R14の活性化におけるコレステロールと細胞内リガンドの役割を解明
本研究では、苦味受容体TAS2R14の活性化メカニズムを構造生物学的手法と計算科学的手法を用いて解明した。クライオ電子顕微鏡解析により、TAS2R14にコレステロールと苦味物質cmpd28.1が結合した状態の構造を決定した。コレステロールは受容体の細胞外側のポケットに、cmpd28.1は細胞内側のアロステリックサイトに結合していた。さらに、計算科学的解析と生化学的実験により、両リガンドの結合が受容体の活性化に重要であることを明らかにした。本研究の結果は、苦味受容体の活性化メカニズムに新たな洞察を与えるとともに、味覚以外の生理機能の理解にもつながる可能性を示唆している。
事前情報
苦味感知は、G タンパク質共役受容体（GPCR）ファミリーに属する 2 型味覚受容体（TAS2R）によって媒介される。
TAS2R14は、100種類以上の構造的に多様な苦味物質に応答するが、その分子メカニズムは十分に解明されていない。
TAS2R14は、口腔外組織にも高発現しており、苦味感知以外の生理機能を有する可能性がある。
行ったこと
TAS2R14-Ggustおよび TAS2R14-Gi1複合体のクライオ電子顕微鏡構造を決定した。
計算科学的手法と生化学的実験により、コレステロールとcmpd28.1の結合様式と受容体活性化への影響を解析した。
変異体解析により、両リガンドの結合に重要なアミノ酸残基を同定した。
検証方法
クライオ電子顕微鏡解析により、TAS2R14-Ggustおよび TAS2R14-Gi1複合体の構造を決定した。
ドッキングシミュレーションと分子動力学シミュレーションにより、リガンドの結合様式を予測した。
BRET アッセイと cAMP アッセイにより、リガンド結合と受容体活性化の関係を検証した。
部位特異的変異導入により、リガンド結合に重要なアミノ酸残基を同定した。
分かったこと
TAS2R14 には、細胞外側にコレステロール結合ポケット、細胞内側に苦味物質 cmpd28.1 結合ポケットが存在する。
コレステロールは、オーソステリックアゴニストとして機能する。
cmpd28.1 は、ポジティブアロステリックモジュレーターとしてコレステロールの作用を増強するとともに、直接的なアゴニスト活性も示す。
両リガンド結合ポケットは、疎水性残基に富む細長いチャネルでつながっている。
コレステロールと cmpd28.1 の協調的な結合が、TAS2R14 の活性化に重要である。
この研究の面白く独創的なところ
本研究は、苦味受容体 TAS2R14 の活性化メカニズムに関して、コレステロールと細胞内苦味物質という 2 つの異なる性質のリガンドが協調的に作用するという新たな概念を提唱した点が独創的である。また、クライオ電子顕微鏡解析により、両リガンドの結合様式を原子レベルで明らかにしたことに加え、計算科学的手法と生化学的実験を組み合わせることで、リガンド結合と受容体活性化の関係を多角的に解明した点が面白い。
この研究のアプリケーション
本研究の成果は、苦味受容体の活性化メカニズムの理解を深めるだけでなく、味覚以外の生理機能の解明にもつながる可能性がある。TAS2R14 は、口腔外組織にも発現していることから、呼吸器系や消化器系などの生理機能に関与している可能性がある。したがって、本研究で得られた知見は、新たな創薬ターゲットの同定や、疾患メカニズムの解明につながることが期待される。
著者と所属
Yoojoong Kim, Ryan H. Gumpper, Yongfeng Liu, D. Dewran Kocak, Yan Xiong, Can Cao, Zhijie Deng, Brian E. Krumm, Manish K. Jain, Shicheng Zhang, Jian Jin, Bryan L. Roth (University of North Carolina at Chapel Hill; Icahn School of Medicine at Mount Sinai; University of Science and Technology of China)
詳しい解説
この研究は、苦味受容体 TAS2R14 の活性化メカニズムに関する新たな知見を提供するものである。クライオ電子顕微鏡解析により、TAS2R14 にコレステロールと苦味物質 cmpd28.1 が結合した状態の構造を決定した。その結果、コレステロールは受容体の細胞外側のポケットに、cmpd28.1 は細胞内側のアロステリックサイトに結合していることが明らかになった。
コレステロールは、オーソステリックアゴニストとして機能し、受容体を直接活性化することができる。一方、cmpd28.1 は、ポジティブアロステリックモジュレーターとしてコレステロールの作用を増強するとともに、直接的なアゴニスト活性も示す。両リガンド結合ポケットは、疎水性残部に富む細長いチャネルでつながっており、コレステロールと cmpd28.1 の協調的な結合が受容体の活性化に重要であることが示唆された。
また、計算科学的解析と生化学的実験により、両リガンドの結合様式と受容体活性化への影響が詳細に解析された。ドッキングシミュレーションと分子動力学シミュレーションにより、リガンドの結合様式が予測され、BRET アッセイと cAMP アッセイにより、リガンド結合と受容体活性化の関係が検証された。さらに、変異体解析により、両リガンドの結合に重要なアミノ酸残基が同定された。
本研究の成果は、苦味受容体の活性化メカニズムに関する新たな概念を提唱するものである。コレステロールと細胞内苦味物質という 2 つの異なる性質のリガンドが協調的に作用するという発見は、味覚受容体の多様な応答性を理解する上で重要な手がかりとなる。また、TAS2R14 は口腔外組織にも発現していることから、味覚以外の生理機能にも関与している可能性がある。したがって、本研究で得られた知見は、新たな創薬ターゲットの同定や、疾患メカニズムの解明につながることが期待される。
テラヘルツ電場駆動によるSrTiO3の動的マルチフェロイック性の発現
SrTiO3の赤外活性ソフトフォノンモードを円偏光テラヘルツ電場で共鳴励起し、時間分解磁気光学カー効果を検出することで、室温で磁化が発生することを実験的に示した。
事前情報
動的マルチフェロイック性では、時間依存の電気分極によって非強磁性材料中に磁化が発生すると予測されている。
SrTiO3は常誘電性の diamagnetic 物質で、テラヘルツ領域に赤外活性フォノンモードを持つ。
行ったこと
SrTiO3の赤外活性ソフトフォノンモードを円偏光テラヘルツ電場で共鳴励起した。
時間分解磁気光学カー効果測定により、磁化の発生を検出した。
自己無撞着フォノン理論を用いた第一原理計算によりモデル化を行った。
検証方法
時間分解磁気光学カー効果測定
円偏光テラヘルツ電場の電気光学サンプリング
自己無撞着フォノン理論を用いた第一原理計算
分かったこと
SrTiO3に円偏光テラヘルツ電場を照射すると、室温で一時的な磁化が発生する。
磁化の発生は、動的マルチフェロイック性によって説明できる。
実験結果は、非調和性を考慮した自己無撞着フォノン理論によるモデル計算で定性的に再現できる。
格子振動の角運動量が電子系に移行するフォノンバーネット効果を考慮することで、定量的にも矛盾のない磁気モーメントの大きさが得られる。
この研究の面白く独創的なところ
動的マルチフェロイック性を非磁性物質で実験的に実証した点。
テラヘルツ光を用いて格子振動を円偏光で制御することで、磁性を誘起できることを示した点。
フォノンバーネット効果という新しい概念を提唱した点。
この研究のアプリケーション
コヒーレントな格子振動制御による磁性の光学的操作
超高速磁気スイッチなどのデバイス応用
動的マルチフェロイック性を利用した新規機能性材料の開発
著者と所属
M. Basini, M. Pancaldi, B. Wehinger, M. Udina, V. Unikandanunni, T. Tadano, M. C. Hoffmann, A. V. Balatsky, S. Bonetti (Stockholm University, Ca' Foscari University of Venice, European Synchrotron Radiation Facility, Sapienza University of Rome, National Institute for Materials Science, SLAC National Accelerator Laboratory, NORDITA, University of Connecticut, Rara Foundation)
詳しい解説
本研究では、常誘電性かつ非磁性の物質であるSrTiO3において、テラヘルツ光を用いて格子振動を円偏光で共鳴励起することで、室温で一時的な磁化が発生することを実験的に示しました。この現象は、動的マルチフェロイック性と呼ばれる機構によって説明することができます。
動的マルチフェロイック性とは、時間依存の電気分極によって磁化が誘起される現象です。SrTiO3の場合、赤外活性のソフトフォノンモードを円偏光テラヘルツ電場で励起すると、イオンが円運動を始めます。この円運動によって、回転軸方向に磁気モーメントが発生すると予測されていました。
研究チームは、時間分解磁気光学カー効果測定を行うことで、円偏光励起に伴う磁化の発生を直接観測することに成功しました。また、自己無撞着フォノン理論を用いた第一原理計算により、実験結果を定性的に再現するモデルを構築しました。さらに、格子振動の角運動量が電子系に移行するフォノンバーネット効果を考慮することで、定量的にも矛盾のない磁気モーメントの大きさが得られることを示しました。
この研究は、コヒーレントな格子振動の制御によって磁性を操作する新しい方法を実験的に実証した点で非常に重要な意義を持ちます。また、フォノンバーネット効果という新しい概念を提唱し、超高速の磁気スイッチなどへの応用の可能性を示したことも注目に値します。
本研究の成果は、動的マルチフェロイック性を利用した新規機能性材料の開発や、光による磁性制御の新たな手法の確立につながることが期待されます。また、格子振動と電子系の角運動量の相互作用に関する理解を深める上でも重要な知見を提供するものと言えます。
単体元素ヒ素における新しい「ハイブリッド」トポロジカル量子状態の発見
ヒ素という単体元素固体において、「強いトポロジー」と「高次トポロジー」が共存する「ハイブリッドトポロジー」が発見された。この特殊なトポロジカル状態により、ヒ素の表面にはユニークなステップエッジ伝導チャネルが形成されることが明らかになった。
事前情報
・トポロジーと相互作用は量子物質研究の重要な概念だが、その融合については未開拓な部分が多い
・単体元素でトポロジカル物性が実現した例は限られている
行ったこと
・ヒ素単結晶の電子状態を、走査型トンネル顕微鏡、光電子分光、理論解析により多角的に調べた
検証方法
・走査型トンネル顕微鏡：表面の局所電子状態や準粒子干渉を実空間で観察 ・光電子分光：バルクと表面のバンド構造を運動量空間で測定
・第一原理計算：バンド構造やトポロジカル不変量を理論的に解析
分かったこと
・ヒ素は、バルクバンド反転に由来する「強いトポロジー」と結晶対称性に守られた「高次トポロジー」を併せ持つ
・この「ハイブリッドトポロジー」により、ヒ素の表面には特異なステップエッジ伝導チャネルが形成される
・ステップエッジ状態の有無は、ステップの向きと層数に依存して決まる
この研究の面白く独創的なところ
・単体元素でありながら複数のトポロジカル秩序が同居する新奇な量子状態を見出した点
・バルクと表面のトポロジーが絡み合って特異な境界状態が現れる様子を実験的に解明した点
この研究のアプリケーション
・トポロジカル物性を利用した新しい量子デバイスや熱電変換素子などへの応用
・トポロジカル物質探索の指針となる新たな設計指針の提案
著者
Md Shafayat Hossain, Frank Schindler, Rajibul Islam, Zahir Muhammad, Yu-Xiao Jiang, Zi-Jia Cheng, Qi Zhang, Tao Hou, Hongyu Chen, Maksim Litskevich, Brian Casas, Jia-Xin Yin, Tyler A. Cochran, Mohammad Yahyavi, Xian P. Yang, Luis Balicas, Guoqing Chang, Weisheng Zhao, Titus Neupert & M. Zahid Hasan
本研究では、単体元素であるヒ素において、「強いトポロジー」と「高次トポロジー」が共存する特殊な量子状態「ハイブリッドトポロジー」が発見されました。走査型トンネル顕微鏡と光電子分光による実験と、第一原理計算による理論解析を組み合わせることで、このユニークなトポロジカル状態が、ヒ素の表面にステップエッジ伝導チャネルを形成することが明らかになりました。特に興味深いのは、ステップエッジ状態の有無が、ステップの向きと層数に依存して決まるという点です。これは、バルクと表面のトポロジーが絡み合って、特異な境界状態が現れる様子を如実に示しています。トポロジカル物質の研究は、これまで主に複合物質を舞台に進められてきましたが、単体元素においてこのような新奇な量子状態が実現していたことは驚きであり、物質の性質をトポロジーの観点から理解し、制御する新たな道を拓くものと期待されます。本研究の成果は、トポロジカル物性を利用した革新的なデバイス開発につながると同時に、トポロジカル物質探索のための新しい設計指針を提供するものです。
磁場誘起ウィグナー結晶の直接観測に成功
本研究では、二層グラフェンにおける磁場誘起電子ウィグナー結晶を高分解能走査トンネル顕微鏡測定により直接可視化し、その構造的性質を電子密度、磁場、温度の関数として調べた。最高磁場と最低温度では、最低ランダウ準位において三角格子電子ウィグナー結晶が観測された。ウィグナー結晶は、分数量子ホール状態と競合する付近を除き、充填率 ν ≈ 0.13 から ν ≈ 0.38 の間で安定であった。密度や温度を上げるとウィグナー結晶は液体相に融解し、等方的ではあるがウィグナー結晶のブラッグ波数で特徴付けられる変調構造を示した。低磁場では、ウィグナー結晶は予期せずに異方的なストライプ相に転移した。個々の格子サイトの解析から、ウィグナー結晶格子中の電子の量子ゼロ点運動に関連する可能性のある特徴が見られた。
事前情報
ウィグナーは、電子間のクーロン相互作用が運動エネルギーよりはるかに強くなると、電子が密に詰まった格子状に結晶化すると予測した。
様々な二次元系でウィグナー結晶の証拠が示されてきたが、自発的に形成された古典的または量子的なウィグナー結晶が直接可視化されたことはなかった。
ウィグナー結晶の対称性の同定や融解の直接的な研究は達成されていなかった。
行ったこと
バーナル積層二層グラフェンにおける磁場誘起電子ウィグナー結晶を高分解能走査トンネル顕微鏡測定により直接可視化した。
ウィグナー結晶の構造的性質を電子密度、磁場、温度の関数として調べた。
個々の格子サイトを解析し、電子の量子ゼロ点運動に関連する可能性のある特徴を探索した。
検証方法
高分解能走査トンネル顕微鏡測定により、二層グラフェンにおける磁場誘起電子ウィグナー結晶を直接可視化した。
ウィグナー結晶の構造を電子密度、磁場、温度を変化させながら調べた。
個々の格子サイトの解析を行い、電子の量子ゼロ点運動に関連する可能性のある特徴を探索した。
分かったこと
最高磁場と最低温度では、最低ランダウ準位において三角格子電子ウィグナー結晶が観測された。
ウィグナー結晶は、分数量子ホール状態と競合する付近を除き、充填率 ν ≈ 0.13 から ν ≈ 0.38 の間で安定であった。
密度や温度を上げるとウィグナー結晶は液体相に融解し、等方的ではあるがウィグナー結晶のブラッグ波数で特徴付けられる変調構造を示した。
低磁場では、ウィグナー結晶は予期せずに異方的なストライプ相に転移した。
個々の格子サイトの解析から、ウィグナー結晶格子中の電子の量子ゼロ点運動に関連する可能性のある特徴が見られた。
この研究の面白く独創的なところ
本研究は、磁場誘起電子ウィグナー結晶を高分解能走査トンネル顕微鏡測定により直接可視化し、その構造や融解過程を詳細に調べた点が独創的です。特に、ウィグナー結晶の対称性の同定や融解の直接的な研究は、これまで達成されていなかった課題であり、本研究によって初めて実現されました。また、個々の格子サイトの解析から、電子の量子ゼロ点運動に関連する可能性のある特徴を見出した点も面白いところです。
この研究のアプリケーション
本研究で得られた知見は、二次元電子系における強相関電子状態の理解を深めるための重要な手がかりとなります。特に、ウィグナー結晶の形成や融解のメカニズムの解明は、新奇電子状態の探索や制御につながる可能性があります。また、ウィグナー結晶の直接観測手法は、他の二次元材料や強相関電子系の研究にも応用できると期待されます。
著者と所属 Yen-Chen Tsui, Minhao He, Yuwen Hu, Ethan Lake, Taige Wang, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Michael P. Zaletel, Ali Yazdani (Princeton University; University of California, Berkeley; Lawrence Berkeley National Laboratory; National Institute for Materials Science)
詳しい解説
本研究は、二層グラフェンにおける磁場誘起電子ウィグナー結晶を高分解能走査トンネル顕微鏡測定により直接可視化し、その構造的性質を電子密度、磁場、温度の関数として詳細に調べたものです。
研究グループは、最高磁場と最低温度において、最低ランダウ準位で三角格子電子ウィグナー結晶を観測しました。このウィグナー結晶は、分数量子ホール状態と競合する付近を除き、充填率 ν ≈ 0.13 から ν ≈ 0.38 の間で安定であることがわかりました。ウィグナー結晶が観測された充填率の範囲は、これまでの理論予測とよく一致しています。
密度や温度を上げていくと、ウィグナー結晶は液体相に融解していきます。興味深いことに、液体相は等方的ではあるものの、ウィグナー結晶のブラッグ波数で特徴付けられる変調構造を示すことが明らかになりました。これは、ウィグナー結晶の融解が、完全に無秩序な液体状態へのシャープな転移ではなく、中間的な変調構造を経由して徐々に進行することを示唆しています。
また、低磁場では、ウィグナー結晶は予期せずに異方的なストライプ相に転移することが見出されました。このストライプ相は、通常、高次のランダウ準位で形成されると考えられていましたが、本研究では最低ランダウ準位でも観測されました。
さらに、個々の格子サイトの解析から、ウィグナー結晶格子中の電子の量子ゼロ点運動に関連する可能性のある特徴が見られました。これは、ウィグナー結晶が純粋に古典的な結晶ではなく、量子効果が重要な役割を果たしている可能性を示唆しています。
本研究の成果は、二次元電子系における強相関電子状態の理解を深めるための重要な手がかりとなります。特に、ウィグナー結晶の形成や融解のメカニズムの解明は、新奇電子状態の探索や制御につながる可能性があります。また、ウィグナー結晶の直接観測手法は、他の二次元材料や強相関電子系の研究にも応用できると期待されます。
リガンドの効力がμオピオイド受容体の構造動態を制御する
二重電子-電子共鳴法と一分子蛍光共鳴エネルギー移動法を用いて、μオピオイド受容体に結合するリガンドの種類によって受容体の構造変化や動的平衡が異なり、シグナル伝達の選択性や効力の違いが生じることを明らかにした。
事前情報
μオピオイド受容体は鎮痛の重要な標的である。
μオピオイド受容体はGiタンパク質とβ-アレスチンを活性化する。
リガンドの種類によってシグナル伝達の選択性が異なる。
行ったこと
9種類のリガンドについて、μオピオイド受容体の構造変化を二重電子-電子共鳴法と一分子蛍光共鳴エネルギー移動法で解析した。
リガンドとシグナル伝達分子の結合が受容体の構造平衡とヌクレオチド交換に与える影響を調べた。
リガンドの効力とシグナル選択性の関係を解明した。
検証方法
二重電子-電子共鳴法
一分子蛍光共鳴エネルギー移動法
ラジオリガンド結合実験
BRET法によるシグナル伝達の測定
分かったこと
リガンドの種類によって、μオピオイド受容体の構造変化や動的平衡が異なる。
活性化状態の受容体には複数の構造が存在し、リガンドによってそれらの平衡状態が制御される。
完全活性型の受容体はGタンパク質との結合を強く促進し、ヌクレオチドの解離を引き起こす。
β-アレスチン-1の受容体への結合はGタンパク質ほど特異的ではなく、親和性も低い。
この研究の面白く独創的なところ
複数の構造生物学的手法を組み合わせて、GPCRの動的な構造変化を明らかにした点。
リガンドの効力とシグナル選択性の関係を、受容体の構造動態の観点から説明した点。
副作用の少ない鎮痛薬の開発につながる知見を得た点。
この研究のアプリケーション
副作用の少ないオピオイド系鎮痛薬の開発
GPCRの活性化メカニズムの理解に基づく新薬設計
GPCRの構造動態解析技術の発展
著者と所属
Jiawei Zhao, Matthias Elgeti, Evan S. O'Brien, Cecília P. Sár, Amal EI Daibani, Jie Heng, Xiaoou Sun, Elizabeth White, Tao Che, Wayne L. Hubbell, Brian K. Kobilka, Chunlai Chen (Tsinghua University, University of California, Los Angeles, University of Leipzig Medical Center, Stanford University School of Medicine, University of Pécs, Washington University School of Medicine)
詳しい解説
μオピオイド受容体は、モルヒネなどのオピオイド系鎮痛薬の重要な作用標的です。しかし、これらの薬物は鎮痛効果だけでなく、便秘、耐性、呼吸抑制などの副作用も引き起こします。μオピオイド受容体は、Giタンパク質とβ-アレスチンという2つのシグナル伝達経路を活性化しますが、リガンドの種類によってこれらの経路の活性化の程度が異なることが知られています。そのため、リガンドとμオピオイド受容体の相互作用を分子レベルで理解することは、副作用の少ない鎮痛薬の開発につながると考えられています。
本研究では、9種類のリガンドがμオピオイド受容体の構造と動態に与える影響を、二重電子-電子共鳴法と一分子蛍光共鳴エネルギー移動法という2つの構造生物学的手法を用いて解析しました。その結果、リガンドの種類によって受容体の構造変化や動的平衡が異なり、それがシグナル伝達の選択性や効力の違いにつながることが明らかになりました。
特に興味深い発見は、活性化状態の受容体には複数の構造が存在し、リガンドによってそれらの平衡状態が制御されるという点です。完全活性型の受容体はGタンパク質との結合を強く促進し、ヌクレオチドの解離を引き起こすのに対し、部分活性型の受容体はGタンパク質との結合は促進するもののヌクレオチド解離は引き起こさないことがわかりました。一方、β-アレスチン-1の受容体への結合はGタンパク質ほど特異的ではなく、親和性も低いことが示されました。
これらの結果は、リガンドの効力とシグナル選択性が受容体の構造動態によって制御されていることを示唆しています。本研究で得られた知見は、副作用の少ない鎮痛薬の開発につながるだけでなく、GPCRの活性化メカニズムの理解に基づく新薬設計や、GPCRの構造動態解析技術の発展にも貢献すると期待されます。
森林管理認証FSCは非FSCに比べ、大型哺乳類の生息数を増加させる
この研究では、7組のFSC認証林と非認証林において、カメラトラップを用いて55種の哺乳類の撮影頻度を比較した。その結果、FSC認証林では非認証林に比べ、特に体重10kg以上の大型哺乳類の撮影頻度が有意に高く、絶滅危惧種であるゾウやゴリラの生息数も多いことが明らかになった。一方、非認証林では齧歯類など小型種の割合が相対的に高かった。FSC認証の厳格な管理基準が、密猟の抑制を通じて大型哺乳類の保全に貢献していると考えられる。
事前情報
・熱帯林の1/4以上が木材生産に利用されており、伐採は生物多様性に影響を及ぼす
・FSC認証は社会経済面と環境面でのプラスの成果を目指しているが、野生動物への効果は十分に検証されていない
・アフリカの熱帯林では、FSCが森林減少を抑制し、労働者の生活条件を改善することが示されている
行ったこと
・ガボンとコンゴ共和国の7組のFSC認証林と非認証林で、カメラトラップによる哺乳類の撮影を行った
・撮影頻度を全種、体重クラス別、IUCN絶滅危惧ランク別、分類群別に比較した ・推定生物量や狩猟の痕跡、環境要因についても解析を行った
検証方法
・体系的に配置したカメラトラップ（計474台）で、約35,000日分、約130万枚の写真を収集
・撮影頻度（撮影数/カメラ日数）を指標に、線形混合モデルや統計検定を用いて比較
・撮影地点の環境要因（標高、道路・集落・河川・保護区からの距離など）の影響も検討
分かったこと
・FSC認証林は非認証林に比べ、全体の撮影頻度が1.5倍、推定生物量が4.5倍高かった
・10kg以上の大型哺乳類の撮影頻度は、FSC認証林で非認証林の2.5〜3.5倍だった
・ゾウ（絶滅危惧IA類）の撮影頻度はFSC認証林で2.5倍、ゴリラ（同CR）は2.7倍高かった
・非認証林では齧歯類など小型種の割合が相対的に高く、狩猟の痕跡も多かった
この研究の面白く独創的なところ
・14か所もの広大な調査地で、総計130万枚を超える大規模なカメラトラップデータを解析した点
・体重クラス別や絶滅危惧ランク別など、多角的な視点から認証の効果を実証した点
・大型哺乳類が非認証林で著しく少ないのに対し、小型種は密度補償的に多いことを示した点
この研究のアプリケーション
・FSCなどの森林認証が生物多様性保全に果たす役割の重要性を示すエビデンス
・持続可能な森林管理の基準作りや、木材の生産と消費に関する政策への反映
・熱帯林の保護区とバッファゾーンの適切な配置や、生態回廊の確保への応用
著者
Joeri A. Zwerts, E. H. M. Sterck, Pita A. Verweij, Fiona Maisels, Jaap van der Waarde, Emma A. M. Geelen, Georges Belmond Tchoumba, Hermann Frankie Donfouet Zebaze & Marijke van Kuijk
本研究は、ガボンとコンゴ共和国の14か所の広大な森林を対象に、FSC認証林と非認証林における哺乳類の生息状況を、カメラトラップによる大規模調査で比較しました。その結果、FSC認証林では非認証林に比べ、全体の撮影頻度が1.5倍、推定生物量が4.5倍高く、特に体重10kg以上の大型哺乳類で顕著な差が見られました。絶滅危惧種のゾウやゴリラの撮影頻度もFSC認証林で有意に高く、一方の非認証林では齧歯類など小型種の割合が相対的に高いことがわかりました。FSCの厳格な管理基準が、密猟の抑制を通じて大型哺乳類の保全に貢献している可能性が示唆されます。
本研究の新規性は、14か所もの広大な調査地で収集された130万枚を超えるカメラトラップ画像を詳細に解析し、体重クラス別や絶滅危惧ランク別など多角的な視点からFSC認証の効果を実証した点にあります。また、非認証林で大型哺乳類が著しく少ない一方、小型種が密度補償的に多いといった興味深い事実も明らかになりました。
これらの知見は、FSCをはじめとする森林認証が生物多様性保全に果たす役割の重要性を示すエビデンスとなります。持続可能な森林管理の基準作りや、木材の生産と消費に関する政策への反映が期待されます。また、熱帯林の保護区とバッファゾーンの適切な配置や、生態回廊の確保などにも応用できるでしょう。
本研究は、生物多様性の宝庫である熱帯林の保全に向けて、森林管理のあり方を考える上で重要な示唆を与えてくれます。私たち消費者も、FSC認証材を選ぶことで、熱帯林の生物多様性保護に間接的に貢献できるのかもしれません。
最後に
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